JP2006128659A - 窒化物系半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 窒化物系半導体発光素子における外部光取出し効率を改善すること。
【解決手段】 発光ダイオード１の窒化物系半導体４の側面に、窒化物系半導体４の光取出し側主面Ｘの面積が対向主面Ｙの面積より大きくなるように傾斜した傾斜側面４Ａを形成し、傾斜側面４Ａに反射膜７を設けた。傾斜側面４Ａの傾斜角度αは、１０５°以上１６５°以下とするのが好ましい。光取出し側主面Ｘに反射防止膜６を設けるとともに、対向主面Ｙ側に接着／反射層３２を設けることにより、外部光取出し効率がさらに改善される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、外部光取出し効率を向上させることができる窒化物系半導体発光素子及びその製造方法に関するものである。

近年、窒化物系半導体を用いた発光ダイオード、レーザーダイオード等の半導体発光素子が実用化されており、特に発光ダイオードの用途はディスプレイや光信号の分野から白色光を利用したバックライト、一般照明の分野へと広がろうとしている。窒化物系半導体を利用した半導体発光素子は透明基板であるサファイアを用いているため、その外部光取出し効率は他の３−５族化合物半導体の場合に比べて高い。しかし、照明用途の場合にあっては、その発光効率を現状の蛍光灯の効率に匹敵するまで向上させる必要があるところ、窒化物系半導体を用いた発光ダイオード等の半導体発光素子の発光効率はいまだそれを満足させるようなレベルに達していない。

このような問題を解決するため、（ａ）透光性基板の基板側面を傾斜させ、この基板側面での光反射により損失を低減させ、外部光取出し効率を向上させるようにした構成（特許文献１）、（ｂ）窒化物系半導体層の一部分の側面を傾斜させて、この半導体層の一部分の側面での光反射により損失を低減させ、光取出し効率を高めるようにした構成（特許文献２、３）等が提案されている。
特開２００３−８６８３８号公報 特開平５−１６０４３７号公報 特開平１０−３２１８９号公報

しかしながら、透光性基板の側面を傾斜させることによる上記（ａ）の構成、窒化物系半導体層の一部分の側面を傾斜させることによる上記（ｂ）の構成のいずれも、発光出力を充分満足させ得るものではなく、さらなる発光出力の増大を図ることが望まれていた。

本発明の目的は、外部光取出し効率をさらに改善し得る窒化物系半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、窒化物系半導体の主面にオーミック電極が設けられている発光素子において、窒化物系半導体の側面を、光取出し側主面に向かって拡がる傾斜面とすること、すなわち、光取出し側主面を下底とした逆メサ状の傾斜面とすることにより、発光素子の外部光取出し効率が著しく向上し、発光出力が増大することを見出し、さらに種々の検討を加え、本発明を完成した。

上記課題を解決するため、請求項１の発明によれば、ｎ型導電性の層とｐ型導電性の層との間に発光層を有する窒化物系半導体からなる窒化物系半導体発光素子であって、前記窒化物系半導体の一対の主面に各々オーミック電極が設けられており、前記窒化物系半導体の側面が、光取出し側主面を下底とした逆メサ状に傾斜していることを特徴とする窒化物系半導体発光素子が提案される。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記光取出し側主面の法線と前記逆メサ状に傾斜している側面の法線とのなす傾斜角度が１０５°以上１６５°以下であることを特徴とする窒化物系半導体発光素子が提案される。

請求項３の発明によれば、請求項１又は２の発明において、前記逆メサ状に傾斜している側面に光反射膜が設けられていることを特徴とする窒化物系半導体発光素子が提案される。

請求項４の発明によれば、請求項１、２又は３の発明において、前記光取出し側主面の側に、透明導電性オーミック電極と１層以上の透明性薄膜からなる反射防止膜構造が形成されていることを特徴とする窒化物系半導体発光素子が提案される。

請求項５の発明によれば、請求項１、２、３又は４の発明において、前記光取出し側主面に対向する主面の側に、光反射膜が形成されていることを特徴とする記載の窒化物系半導体発光素子が提案される。

請求項６の発明によれば、窒化物系半導体を有する窒化物系半導体発光素子の製造方法において、基板を用意する第１の工程と、前記窒化物系半導体を光取出し側主面が前記基板に相対するようにして前記基板上に形成する第２の工程と、前記窒化物系半導体の側面を、前記窒化物系半導体の光取出し側主面を下底とした逆メサ状の傾斜側面とする第３の工程と、前記第３の工程で得られた窒化物系半導体を前記基板から分離する第４の工程と、前記基板から分離された窒化物系半導体の対向主面を導電性基板に接着する第５の工程とを含むことを特徴とする窒化物系半導体発光素子の製造方法が提案される。

請求項７の発明によれば、請求項６の発明において、前記第３の工程が、パターン形成したフォトレジストマスクを１３０℃以上２５０℃以下の温度で熱処理することにより周辺部に傾斜した側面を形成する工程と、該フォトレジストマスクを用いて前記窒化物系半導体の側面をドライエッチングして前記傾斜側面を形成する工程とを含むことを特徴とする窒化物系半導体発光素子の製造方法が提案される。

請求項８の発明によれば、請求項６の発明において、前記第３の工程が、等方性エッチングにより前記窒化物系半導体とは異種材料のマスクに傾斜側面を形成する工程と、前記傾斜側面を有するマスクを用いて前記窒化物系半導体の側面をエッチングして傾斜側面を形成する工程とを含むことを特徴とする窒化物系半導体発光素子の製造方法が提案される。

本発明によれば、窒化物系半導体の主面にオーミック電極が設けられている発光素子において、窒化物系半導体の側面を、光取出し側主面を下底とした逆メサ状の傾斜面とすることにより、発光素子の外部光取出し効率を著しく向上させ、その光出力の増大を図ることができる。また本発明の方法によれば、光出力の増大された窒化物系半導体発光素子を効率的に製造することができる。

図１は、本発明による窒化物系半導体発光素子の一実施形態を示す層構造図である。発光ダイオード１はマウント２上に設けられた導電性支持板３上に窒化物系半導体４を設けた構成となっている。導電性支持板３は、熱伝導性が良好で且つ導電性に富む材料から成る導電層３１と接着／反射層３２とから成り、接着／反射層３２の上に形成されたオーミックｐ電極５を介して、窒化物系半導体４が導電性支持板３上に設けられている。

窒化物系半導体４は、３−５族窒化物系化合物半導体の薄膜結晶層を積層して成る、発光ダイオード用窒化物化合物半導体エピタキシャル結晶の積層体である。ここでは、導電性支持板３に近い方から、トンネリングコンタクト層（ＣＴＬ層）４１、ｐ−ＧａＮ層４２、ＡｌＧａＮ層４３、アンドープＧａＮ層４４、多重量子井戸活性層（ＭＱＷ層）４５、アンドープＧａＮ層４６、ｎ−ＧａＮ層４７及びｎ⁺ −ＧａＮ層４８がこの順に積層され、窒化物系半導体４が構成されている。

なお、窒化物系半導体４を構成する上記の各層は、有機金属気相成長法のほか、公知のエピタキシャル気相成長法を用いて形成することができる。

窒化物系半導体４のｎ⁺ −ＧａＮ層４８上にはオーミックｎ電極６１及び透明薄膜６２がこの順序で形成されている。オーミックｎ電極６１は透明導電膜であり、オーミックｎ電極６１と透明薄膜６２とによって反射防止膜６が構成されている。そして、透明薄膜６２に設けられた窓６２Ａ内には、取出し電極Ｅ１がオーミックｎ電極６１に接して設けられており、マウント２には別の取出し電極Ｅ２が設けられている。これらの取出し電極Ｅ１、Ｅ２間に電圧を印加して電流を流すことにより、発光層となる多重量子井戸活性層（ＭＱＷ層）４５が発光する。このＭＱＷ層４５からの光は、窒化物系半導体４の光取出し面、すなわち光取出し側主面であるｎ⁺ −ＧａＮ層４８の表面から反射防止膜６を介して外方に出射するほか、下方向や水平方向にも伝播する。

発光ダイオード１は、多重量子井戸活性層（ＭＱＷ層）４５から上述の如く出射される光を効率よくその光取出し面から取り出すことができるようにするため、窒化物系半導体４の側面を傾斜側面４Ａとすると共にこの傾斜側面４Ａに反射膜７を設けた構成となっている。傾斜側面４Ａは窒化物系半導体４の側面全体に亘って形成されている。

窒化物系半導体４の傾斜側面４Ａは、図１から判るように、窒化物系半導体４の導電性基板３側の主面である対向主面（すなわちその光取出し側主面と対向する面であるＣＴＬ層４１の表面）の面積が、窒化物系半導体４のｎ⁺ −ＧａＮ層４８の表面である光取出し側主面の面積よりも小さくなるように形成されている。換言すれば、傾斜側面４Ａは、光取出し側主面を下底、対向主面を上底とした逆メサ状の傾斜面として形成されている。

窒化物系半導体結晶層である窒化物系半導体４の側面にこのような傾斜側面４Ａを設けると、結局、傾斜側面４Ａの内面が光取出し側主面を向くことになり、多重量子井戸活性層（ＭＱＷ層）４５からの光が横方向（窒化物系半導体４の各層の積層方向とは直角の方向）に伝播した場合、この伝播光は傾斜側面４Ａにあたって反射し、光取出し面方向に屈折するので、外部光取出し効率を増大させることができる。

ここで、発光ダイオード１は、窒化物系半導体４の一対の主面（すなわち、光取出し側主面と対向主面）にオーミックｎ電極６１及びオーミックｐ電極５をそれぞれ設けた構成となっているので、窒化物系半導体４の側面全体、及び反射防止膜６の側面を傾斜側面とすることができ、この結果、横方向に漏れる光の量を著しく減少させることができるという格別の効果が得られる。

傾斜側面４Ａの傾斜角度αは、横方向に伝播してきた光を反射させて光取出し面から取り出すのに有効な角度がよい。傾斜角度αは、図２に示すように、窒化物系半導体４から外側に向かう光取出し面の法線ベクトルＢ１と窒化物系半導体４から外側に向かう傾斜側面４Ａの法線ベクトルＢ２とのなす角度として定義される。この定義によれば、窒化物系半導体４の光取出し側主面（ｎ⁺ −ＧａＮ層４８の主面）の面積が、対向主面（ＣＴＬ層４１の主面）の面積より大きくなるような傾斜側面とは、傾斜角度αが９０°より大きく１８０°未満の場合に相当し、いわゆる逆メサ形状の傾斜側面になる。

傾斜側面４Ａの傾斜角度αは、その外側に設けられる反射部材等の材質の屈折率にも依存するが、概ね１０５°以上１６５°以下であることが好ましい。傾斜角度αが１０５°より小さい場合は全反射しないで側面から出射する光の割合が大きくなるので好ましくなく、傾斜角度αが１６５°より大きい場合は、光取出し面での反射により取出し効率が充分でなくなる場合があるので好ましくない。傾斜角度αは、より好ましくは、１１０°から１６０°の範囲であり、さらに好ましくは１１５°から１６０°の範囲であり、特に好ましくは１４０°から１６０°の範囲である。

傾斜側面４Ａは有効に反射を起こさせるために光波長オーダーで平坦な面であるのが好ましく、意図的に凸凹をつけたり、表面を荒らすことは好ましくない。

傾斜側面４Ａは単一の傾斜角を有する平面に限定されず、図３に例示されるように種々の形態とすることができる。図３の（Ａ）は、傾斜側面４Ａが、異なる傾斜角α１、α２、α３を有する複数の平面から成っている場合の例である。図３の（Ｂ）は、傾斜側面４Ａが曲面状の傾斜側面の例である。傾斜側面４Ａが傾斜角の異なる複数の平面から成っている場合は、各々の傾斜角はすべて上記の角度範囲にあることが好ましい。

図３の（Ｃ）は、傾斜側面４Ａが曲面状の傾斜側面の例である。曲面状の傾斜側面の場合においては、光取出し側主面を上、対向主面を下とするとき、上側に凸な曲面であっても、下側に凸な曲面であってもよいが、各点の傾斜角度は上記の角度範囲にすることが好ましい。この場合の傾斜角度とは各点の接平面の法線と主面法線とのなす角度である。

窒化物系半導体４に傾斜側面４Ａを設けるだけでもその外部光取出し効率を格段に向上させることができるが、発光ダイオード１では、更なる改善を図るため、傾斜側面４Ａに反射膜７を設け、傾斜側面４Ａでの光の全反射をより有効なものとしている。反射膜７としては、発光ダイオード１の発光波長における反射率の高い金属膜や、誘電体多層膜などを用いることが効果的である。金属膜の材料としては、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒなどの金属単体やこれらの合金を用いることができる。誘電体多層膜としては、ＴｉＯ₂ 、ＳｉＯ₂ 、などの酸化物やＳｉＮなどの窒化物、ＣａＦ₂ などのフッ化物等から少なくとも２種類の材料を組み合わせて繰り返し積層したものを用いることができる。

発光ダイオード１では、外部光取出し効率のより一層の向上を図るため、窒化物系半導体４の光取出し側主面に反射防止膜６を設けている。上述の如く、傾斜側面４Ａ及び反射膜７を設けることにより、窒化物系半導体４内で各層の積層方向とは直角の方向（横方向）に伝播する光を効率的に取り出し、外部取出し効率を飛躍的に高めることができる。これに加えて光取出し側主面に反射防止膜６を設けることにより、窒化物系半導体４の内部からその光取出し側主面に向かう光の取出し効率を高め、発光ダイオード１の外部光取出し効率を総合的に高めることができる。

すなわち、光取出し側主面に、反射防止膜６を設け、反射防止膜６を構成するオーミックｎ電極６１及び透明薄膜６２の各光学膜厚（膜厚×屈折率）を、例えば発光波長の１／４倍になるように調整することにより、反射防止膜６が窒化物系半導体４の内部からその光取出し側主面に向かう光を内部に向けて反射させるのを防止する反射防止膜として機能し、これにより光取出し側主面に向かった光の取出し効率を飛躍的に高めることができる。この結果、発光ダイオード１の外部発光取出し効率を総合的に高めることができる。

発光ダイオード１には、さらに窒化物系半導体４の対向主面であるＣＴＬ層４１側の導電性基板３に接着／反射層３２が設けられている。このため、窒化物系半導体４の多重量子井戸活性層（ＭＱＷ層）４５から出射し、その対向主面に向かった光は光反射膜となっている接着／反射層３２により反射され、窒化物系半導体４の光取出し側主面から有効に取り出すことができ、外部光取出し効率の改善に役立つ。接着／反射層３２として、金属膜あるいは誘電体多層膜を用いることができる。接着／反射層３２が金属膜の場合には、これを発光ダイオード１のオーミック電極と兼用することも可能である。

図４には、傾斜側面４Ａを設けた場合の光取出し効率向上効果を、ＧａＮの屈折率２．４、ＧａＮに接する樹脂の屈折率を１．５、光取出し面の対向面に光反射層を設けた場合について概算した例が示されている。臨界角θより小さい角度で界面に向かった光は外部に取り出せ、臨界角θ以上の角度で界面に向かった光は界面で反射を繰り返し横方向に進行する。上記屈折率より臨界角は約３８°であり、横方向に進行した光が取り出せない場合は、光取出し効率は２２％であるが、傾斜面を設けてこれを効率よく取り出す場合には光取出し効率を１００％近くまで上げることができる。従って取出し効率の向上効果は約５倍となり、この効果はきわめて大きいことがわかる。

傾斜側面４Ａの形成の方法には、フォトレジストに傾斜側面を形成する方法、又は等方性エッチングと異方性エッチングとを組み合わせる方法などを用いることができる。

フォトレジストに傾斜側面を形成する方法は、フォトレジストの熱処理によるリフローを利用する方法である。フォトレジストのリフローはフォトレジストの構成材料にもよるが、通常１３０℃以上の温度でおこりパターンの端部に傾斜面を生じさせることができる。傾斜角αは熱処理温度が高いほど大きくなる。好ましい熱処理温度は１３０℃以上２５０℃以下である。１３０℃以下ではリフローが起こらず傾斜角αは略９０°になり好ましくない。２５０℃以上では傾斜角αが大きくなりすぎ好ましくない。より好ましくは１３５℃以上２３０℃以下であり、更に好ましくは１４０℃以上２１０℃以下である。このようにして形成した傾斜側面を有するフォトレジストを用いて、ＩＣＰドライエッチングなどの異方性エッチングを行うことにより、窒化物系半導体４の側面に傾斜面４Ａを形成することができる。

等方性エッチングと異方性エッチングを組み合わせる方法とは、窒化物系半導体４の表面に一旦異種材料膜を形成した後、この上にフォトレジストでパターンを形成し、ＲＩＥなどの等方性エッチングを行うことにより、傾斜側面を異種材料膜に形成し、次にこの傾斜側面の形成された異種材料膜をマスクにしてＩＣＰドライエッチングなどの異方性エッチングを行うことにより、窒化物系半導体４の側面に傾斜側面４Ａを形成する方法である。異種材料膜としては、ＳｉＯ₂ などの酸化膜、ＳｉＮなどの窒化膜やＡｌ、Ｃｕ、Ｎｉなどの金属膜を用いることができる。

次に、図１に示した構成の発光ダイオード１の製造方法の一実施形態につき、図５及び図６に基づいて説明するが、本発明はこの一実施形態に限定されるものではない。

図５及び図６は本発明による発光ダイオード１の製造工程を説明するための工程説明図で、図５はその前半の工程を示し、図６はその後半の工程を示している。

先ず、図５の（Ａ）に示すように、サファイア（００１）基板１００の上に、発光ダイオード構造の窒化物系半導体層１０１を有機金属気相成長法により成長する。窒化物系半導体層１０１の層構造それ自体は、図１に示した窒化物系半導体４のそれと同様であり、ＣＴＬ層４１、ｐ−ＧａＮ層４２、ＡｌＧａＮ層４３、アンドープＧａＮ層４４、多重量子井戸活性層（ＭＱＷ層）４５、アンドープＧａＮ層４６、ｎ−ＧａＮ層４７及びｎ⁺ −ＧａＮ層４８が積層されて成っている。ただし、図５の（Ａ）の工程では、サファイア（００１）基板１００の上に、ｎ⁺ −ＧａＮ層４８、ｎ−ＧａＮ層４７、アンドープＧａＮ層４６、多重量子井戸活性層（ＭＱＷ層）４５、アンドープＧａＮ層４４、ＡｌＧａＮ層４３、ｐ−ＧａＮ層４２、ＣＴＬ層４１の順序で各層を積層する。

この結果、窒化物系半導体層１０１の光取出し側主面Ｘはサファイア（００１）基板１００側に相対し、対向主面Ｙはサファイア（００１）基板１００から最も離れた位置にある。

次に通常のフォトリソグラフィにより所定のパターンのフォトレジスト層１０３を形成する。フォトレジスト層１０３は周辺部で傾斜側面を有する。次にこの試料をＩＣＰドライエッチング装置にてエッチングし、フォトレジスト層１０３の無い部分はサファイア（００１）基板１００までエッチングを行い、傾斜側面１０１Ａを形成してメサ型とする。傾斜側面１０１Ａの角度は１５０°とした。ここで、窒化物系半導体層１０１に傾斜側面１０１Ａを形成することにより、光取出し側主面Ｘの面積が対向主面Ｙの面積よりも大きくなっている。図５の（Ａ）〜（Ｂ）に示す方法によれば、傾斜側面１０１Ａを簡単かつ効率よく形成することができる。

次に、図５（Ｃ）に示すように、窒化物系半導体層１０１の対向主面Ｙ上に、ホール注入用のオーミック電極層として、透明導電膜層を形成する。透明導電膜としては、電子ビーム蒸着法やリモートプラズマスパッタ法などで形成したＩＴＯ層などを用いることができる。さらに、ホール注入用オーミック電極層（ＩＴＯ層）上に、後の工程で接着層となるＴｉ／Ａｌ／Ａｕ積層膜を蒸着法により形成する。図５、図６では、ホール注入用オーミック電極層（ＩＴＯ層）と接着層（Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ積層膜）とをまとめて、符号１０２により透明電極／接着層として示している。

次に、図５の（Ｄ）に示すように、この傾斜側面１０１Ａ上にＳｉＯ₂ およびＡｌからなる反射層１０４を真空蒸着法により形成する。

そして、図６の（Ａ）に示すように、透明電極／接着層１０２のＴｉ／Ａｌ／Ａｕ積層膜の上に、スパッタ法により、銅の膜１０５を形成する。そして、銅の膜１０５を支持フィルム（図示せず）に貼り付けた後、サファイア（００１）基板１００側から、ＹＡＧの３倍高調波レーザーを照射して、サファイア（００１）基板１００を窒化物系半導体層１０１から、剥離し、図６の（Ｂ）の状態とする。

次に、図６の（Ｃ）に示すように、サファイア（００１）基板１００の剥離によって露出した窒化物系半導体層１０１上、すなわちｎ⁺ −ＧａＮ層４８上に、透明導電性オーミック電極１０６を電子ビーム蒸着法により、発光波長の１／４の光学厚さとなる膜厚になるように蒸着する。引き続いて反射防止膜１０７としてＳｉＮを発光波長の１／４の光学厚さとなるよう積層する。次に、反射防止膜１０７の一部をエッチングにより除いて窓１０７Ａを形成し、電極取り出しのために透明導電性オーミック電極１０６を露出させる。

最後に、図６の（Ｄ）に示すように、こうして得られた試料を支持フィルム（図示せず）から分離し個々の発光ダイオードチップとする。発光ダイオードチップの銅の膜１０５をヒートシンクとなるマウント１０８に接着して、取出し電極Ｅ１、Ｅ２を接続、これにより、図１に示した構造の発光ダイオード１と同一構造の発光ダイオードが得られる。

図７及び図８は、本発明による発光ダイオードの製造方法の他の実施形態を説明するための工程説明図で、図７はその前半の工程を示し、図８はその後半の工程を示している。なお、図５及び図６に基づいて説明した先の実施形態における各部と対応する部分については同一の符号を用いその説明を繰り返し行うのを省略する。

先ず、図７の（Ａ）に示すように、サファイア（００１）基板１００の上に、発光ダイオード構造の窒化物系半導体層１０１を有機金属気相成長法により成長する。次に、ＳｉＯ₂ 膜２０１をプラズマＣＶＤ装置を用いて形成した後、ＳｉＯ₂ 膜２０１上に通常のフォトリソグラフィにより所定のパターンのフォトレジスト層２０２を形成する。

そして、この試料をＲＩＥ等方性ドライ装置にてエッチングを行う。フォトレジスト層２０２とＳｉＯ₂ 膜２０１は異種材料であり、等方性エッチングを行うことにより、ＳｉＯ₂ 膜２０１のうち、フォトレジスト層２０２によってカバーされていない部分を除去すると共に、ＳｉＯ₂ 膜２０１の側面に傾斜側面２０１Ａを形成することができ、図７の（Ｃ）に示す状態を得る。

しかる後、フォトレジスト層２０２を除去し、傾斜側面２０１Ａの形成されたＳｉＯ₂ 膜２０１のみを残す（図７の（Ｄ））。図７の（Ｄ）に示した状態は、図５の（Ｂ）に示されている状態に対応している。

次に、図７の（Ｄ）に示した状態の試料をＩＣＰドライエッチング装置にてエッチングを行い、フォトレジスト層２０２の無い部分は窒化物系半導体層１０１をサファイア（００１）基板１００までエッチングを行い、窒化物系半導体層１０１に傾斜側面１０１Ａを形成してメサ型とする。傾斜側面１０１Ａの傾斜角度αは１３０°にしてある。

ここで、窒化物系半導体層１０１に傾斜側面１０１Ａを形成することにより、光取出し側主面Ｘの面積が対向主面Ｙの面積よりも大きくなっている。

次に、窒化物系半導体層１０１の対向主面Ｙ上に、ホール注入用のオーミック電極層として、透明導電膜層（ＩＴＯ層）を電子ビーム蒸着法により形成する。さらに、ＩＴＯ層上に、後の工程で接着層となるＴｉ／Ａｌ／Ａｕ積層膜を蒸着法により形成し、透明電極／接着層１０２を積層することにより図７（Ｅ）の状態とする。

次に、図８の（Ａ）に示すように、この傾斜側面１０１Ａ上にＳｉＯ₂ とＡｌ膜からなる反射膜１０４を真空蒸着法により形成する。

そして、図８の（Ｂ）に示すように、透明電極／接着層１０２の上に、スパッタ法により、銅の膜１０５を形成する。そして、銅の膜１０５を支持フィルム（図示せず）に貼り付けた後、サファイア（００１）基板１００側から、ＹＡＧの３倍高調波レーザーを照射して、サファイア（００１）基板１００を窒化物系半導体層１０１から、剥離し、図８の（Ｃ）の状態とする。

次に、図８の（Ｄ）に示すように、サファイア（００１）基板１００の剥離によって露出した窒化物系半導体層１０１のｎ⁺ −ＧａＮ層４８に、透明導電性オーミック電極１０６を電子ビーム蒸着法により、発光波長の１／４の光学厚さとなる膜厚になるように蒸着する。引き続いて反射防止膜１０７としてＳｉＮを発光波長の１／４の光学厚さとなるよう積層する。次に、反射防止膜１０７の一部をエッチングにより除いて窓１０７Ａを形成し、電極取り出しのために透明導電性オーミック電極１０６を露出させる。

最後に、図８の（Ｅ）に示すように、こうして得られた試料を支持フィルム（図示せず）から分離し個々の発光ダイオードチップとする。発光ダイオードチップの銅の膜１０５をヒートシンクとなるマウント１０８に接着して、取出し電極Ｅ１、Ｅ２を接続、これにより、図１に示した構造の発光ダイオード１と同一構造の発光ダイオードが得られる。

（実施例１）
図５、図６に示した製造工程に従って発光ダイオードを次のようにして製作した。

窒化物系半導体層１０１の各層は、サファイア（００１）基板１００の上に形成したＧａＮ低温バッファ層の上に、有機金属気相成長法により次のように成長させた。

すなわち、ｎ⁺ −ＧａＮ層４８は高濃度Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（ｎ＝２×１０¹⁹、１μｍ）として、ｎ−ＧａＮ層４７はＳｉドープｎ型ＧａＮ（ｎ＝２×１０¹⁸、３μｍ）として、アンドープＧａＮ層４６はアンドープＧａＮ（３００ｎｍ）として形成した。多重量子井戸活性層（ＭＱＷ層）４５は、アンドープＧａＮ（１５ｎｍ）とＩｎＧａＮ（３ｎｍ）の５回繰り返しからなる多重量子井戸活性層として形成した。アンドープＧａＮ層４４は、アンドープＧａＮ（１８ｎｍ）として、ＡｌＧａＮ層４３はＭｇドープｎ型ＡｌＧａＮ（Ａｌ：５％、ｎ＝２×１０¹⁶、２５ｎｍ）として、ｐ−ＧａＮ層４２はＭｇドープｐ型ＧａＮ（１５０ｎｍ）として、ＣＴＬ層４１はＳｉドープｎ型ＩｎＧａＮ（ｎ＝２×１０²⁰、１ｎｍ）からなるトンネリングコンタクト層として形成した。

なお、活性層である多重量子井戸活性層（ＭＱＷ層）４５のＩｎＧａＮのＩｎ組成は電流注入により発光波長４７０ｎｍとなるように決めた。そして、オーミックｐ電極５を次のように形成した。ホール注入用オーミックコンタクト層として、膜厚５９ｎｍのＩＴＯ膜を電子ビーム蒸着法により形成し、この上に引き続いて、後の工程で接着層となるＴｉ／Ａｌ／Ａｕ積層膜（５０／２００／５００ｎｍ）を蒸着法により形成した。

フォトレジスト層１０３は、通常のフォトリソグラフィにより膜厚３μｍのフォトレジストのパターンとして形成した。次にこのフォトレジストを１７０℃にて５分間の熱処理を行ない、フォトレジストをリフローさせパターン周辺部で傾斜側面を有するフォトレジストのパターンを作製した。銅の膜１０５は５μｍの厚さとした。

（比較例１）
実施例１において、傾斜側面を形成せず、側面の反射膜も形成しないことを除いては、実施例１と同様の条件で発光ダイオードを作製した。

実施例１と比較例１の発光ダイオードの同一電流時の発光出力を比較したところ、実施例１の方が比較例１に比べて約２倍大きな値であった。

（実施例２）
図７、図８に示した工程に従って発光ダイオードを以下のようにして作製した。

実施例１と同じ条件で、サファイア（００１）基板１００上に、窒化物系半導体層１０１を有機金属気相成長法により成長させた。透明電極／接着層１０２も実施例１と同じ条件で成膜した。ＳｉＯ₂ 膜２０１は３μｍの厚さに形成し、銅の膜１０５は５μｍの厚さに形成して、図８の（Ｅ）に示す構造の発光ダイオードを得た。

実施例２と比較例１の発光ダイオードの同一電流時の発光出力を比較したところ、実施例２の方が比較例１に比べて約２倍大きな値であった。

（実施例３〜７）
発光ダイオードの傾斜側面を形成するために、ポジ型フォトレジスト（商品名ＰＦＩ−８９Ｂ、住友化学製）を用い、このフォトレジストのリフロー条件を時間５分一定のまま温度を１３０℃から１６０℃まで１０℃ごとに変化させることによりフォトレジストの側面傾斜角度を変化させたマスクを作製し、これを用いてＧａＮのドライエッチングを行うことにより、側面の傾斜角度の異なることを除いては実施例１と同様にして発光ダイオードを作製した。

このようにして作製した発光ダイオードの実施例３〜７についての、フォトレジストのリフロー温度と、発光ダイオードの側面傾斜角度と、発光ダイオードの光出力とは、下表に示すようになった。

リフロー温度（℃） 発光ダイオードの側 発光ダイオードの
面傾斜角度α（°） 光出力（相対値）
比較例１ ９０ ９０ １．０
実施例３ １３０ １３０ １．０５
実施例４ １４０ １４０ １．２７
実施例５ １５０ １４５ １．５
実施例６ １６０ １５０ １．７２
実施例７ １８０ １６０ １．６

本発明による発光ダイオードの一実施形態を示す層構造図。 傾斜側面の傾斜角度の定義を説明するための図。 傾斜側面の変形例を説明するための図。 窒化物系半導体層の傾斜側面による外部光取出し効率の改善を説明するための図。 本発明による発光ダイオードの製造工程の一実施形態の前半工程を説明するための工程説明図。 本発明による発光ダイオードの製造工程の一実施形態の後半工程を説明するための工程説明図。 本発明による発光ダイオードの製造工程の他の実施形態の前半工程を説明するための工程説明図。 本発明による発光ダイオードの製造工程の他の実施形態の後半工程を説明するための工程説明図。

符号の説明

１ 発光ダイオード
２ マウント
３ 導電性支持板
４ 窒化物系半導体
４Ａ 傾斜側面
５ オーミックｐ電極
６ 反射防止膜
７ 反射膜
３１ 導電層
３２ 接着／反射層
４１ トンネリングコンタクト層（ＣＴＬ層）
４２ ｐ−ＧａＮ層
４３ ＡｌＧａＮ層
４４ アンドープＧａＮ層
４５ 多重量子井戸活性層（ＭＱＷ層）
４６ アンドープＧａＮ層
４７ ｎ−ＧａＮ層
４８ ｎ⁺ −ＧａＮ層
６１ オーミックｎ電極（透明導電膜）
６２ 透明薄膜
６２Ａ 窓
１０１ 窒化物系半導体層
１０２ 透明電極／接着層
１０３ フォトレジスト層
１０４ 反射膜
２０１ ＳｉＯ₂ 膜
２０２ フォトレジスト層
２０１Ａ 傾斜側面
Ｅ１、Ｅ２ 取出し電極

Claims (8)

1. ｎ型導電性の層とｐ型導電性の層との間に発光層を有する窒化物系半導体からなる窒化物系半導体発光素子であって、該窒化物系半導体の一対の主面に各々オーミック電極が設けられており、該窒化物系半導体の側面が、光取出し側主面を下底とした逆メサ状に傾斜していることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
2. 前記光取出し側主面の法線と前記逆メサ状に傾斜している側面の法線とのなす傾斜角度が１０５°以上１６５°以下であることを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体発光素子。
3. 前記逆メサ状に傾斜している側面に光反射膜が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の窒化物系半導体発光素子。
4. 前記光取出し側主面の側に、透明導電性オーミック電極と１層以上の透明性薄膜からなる反射防止膜構造が形成されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の窒化物系半導体発光素子。
5. 前記光取出し側主面に対向する主面の側に、光反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の窒化物系半導体発光素子。
6. 窒化物系半導体を有する窒化物系半導体発光素子の製造方法において、
   基板を用意する第１の工程と、
   前記窒化物系半導体を光取出し側主面が前記基板に相対するようにして前記基板上に形成する第２の工程と、
   前記窒化物系半導体の側面を、前記窒化物系半導体の光取出し側主面を下底とした逆メサ状の傾斜側面とする第３の工程と、
   該第３の工程で得られた窒化物系半導体を前記基板から分離する第４の工程と、
   前記基板から分離された窒化物系半導体の対向主面を導電性基板に接着する第５の工程と、
   を含むことを特徴とする窒化物系半導体発光素子の製造方法。
7. 前記第３の工程が、パターン形成したフォトレジストマスクを１３０℃以上２５０℃以下の温度で熱処理することにより周辺部に傾斜した側面を形成する工程と、該フォトレジストマスクを用いて前記窒化物系半導体の側面をドライエッチングして前記傾斜側面を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項６記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
8. 前記第３の工程が、等方性エッチングにより前記窒化物系半導体とは異種材料のマスクに傾斜側面を形成する工程と、前記傾斜側面を有するマスクを用いて前記窒化物系半導体の側面をエッチングして傾斜側面を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項６記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。

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